CN206038529U - 太赫兹泵浦‑太赫兹探测时域光谱系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种太赫兹泵浦‑太赫兹探测时域光谱系统，包括飞秒激光光源、第一分束镜和第二分束镜，通过飞秒激光光源产生飞秒激光，将飞秒激光分成第一光束、第二光束和第三光束，分别用于泵浦太赫兹场的产生、探测太赫兹场的产生和驱动太赫兹时域脉冲的电光采样测量；其中，经所述第一分束镜和第二分束镜透射的飞秒激光作为第一光束，经所述第二分束镜反射的飞秒激光作为第二光束，经所述第一分束镜反射的飞秒激光作为第三光束。本实用新型通过简单调节就可以得到任意偏振态的探测太赫兹场。
Description
技术领域
本实用新型涉及太赫兹时域光谱系统，具体涉及一种太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，更具体涉及一种探测太赫兹电场偏振方向任意可调的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统。
背景技术
随着太赫兹技术的飞速发展，太赫兹时域光谱技术作为一种测量表征材料太赫兹特性的有效手段变得越来越重要，并具有无损性、高信噪比、高灵敏度、高带宽等优点。
太赫兹时域光谱系统是基于相干探测技术的太赫兹产生和探测系统，能够同时得到太赫兹脉冲的振幅和相位信息，对太赫兹时域波形进行傅里叶变换可以直接得到被测样品的吸收系数、折射率、透射率等光学参数，对其频谱进行分析处理可以得到被测样品的复介电常数、载流子密度和迁移率等物理信息。
现有的太赫兹时域光谱系统，其产生太赫兹脉冲的方式多数采用光电导天线产生太赫兹辐射，这种方式产生的太赫兹脉冲强度比较弱，而且偏振方向很难调节，对于一些样品位置很难改变却需要特定太赫兹偏振态的测量，采用光导天线产生太赫兹辐射的方式就显得不足。
实用新型内容
实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种探测太赫兹电场偏振方向连续可调的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，通过简单调节就可以得到任意偏振态的探测太赫兹场。
技术方案：为实现上述目的，本实用新型提供了一种太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，包括飞秒激光光源、第一分束镜和第二分束镜，通过飞秒激光光源产生飞秒激光，将飞秒激光分成第一光束、第二光束和第三光束，分别用于泵浦太赫兹场的产生、探测太赫兹场的产生和驱动太赫兹时域脉冲的电光采样测量；其中，经所述第一分束镜和第二分束镜透射的飞秒激光作为第一光束，经所述第二分束镜反射的飞秒激光作为第二光束，经所述第一分束镜反射的飞秒激光作为第三光束。
进一步的，还包括第一平面反射镜延时系统、光栅、透镜系统、铌酸锂晶体、第一抛物镜、第二抛物镜和第三抛物镜，所述第一光束通过第一平面反射镜延时系统经过光栅后，出射的一级衍射光发生波前倾斜，经透镜系统成像在铌酸锂晶体上，在达到相位匹配的条件下，铌酸锂晶体斜边对应的面向外辐射第一太赫兹脉冲，所述第一太赫兹脉冲依次经第一抛物镜、第二抛物镜以及第三抛物镜聚焦于待测样品位置作为泵浦太赫兹场。更进一步的，所述透镜系统包括依次设置的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜。
进一步的，还包括第一二分之一波片、第一碲化锌晶体、第六抛物镜、高阻硅片和第三抛物镜，所述第二光束经第一二分之一波片后作用于第一碲化锌晶体上，所述第二光束在第一碲化锌晶体中发生光整流并辐射第二太赫兹脉冲，所述第二太赫兹脉冲依次经第六抛物镜、高阻硅片和第三抛物镜准直会聚于待测样品位置作为探测太赫兹场。
更进一步的，所述泵浦太赫兹场和探测太赫兹场经第四抛物镜、第五抛物镜后作用于第二碲化锌晶体上。
进一步的，经第二分束镜反射的飞秒激光作为第二光束，所述第二光束经第一二分之一波片后作用于第一碲化锌晶体上，飞秒激光在碲化锌晶体中发生光整流并辐射第二太赫兹脉冲，所述第二太赫兹脉冲依次经第六抛物镜、高阻硅片和第三抛物镜准直会聚于待测样品位置作为探测太赫兹场。
进一步的，还包括第二平面反射镜延时系统、第二二分之一波片、第二碲化锌晶体、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡放大光电探测器，所述第三光束依次经过第二平面反射镜延时系统、第二二分之一波片以及第二碲化锌晶体后到达四分之一波片处，无太赫兹场时，第三光束的线偏振光经过四分之一波片后被转换为圆偏振光，所述圆偏振光通过沃拉斯顿棱镜的分解被分成两个相互垂直的分量，分别入射到平衡放大光电探测器的两个光电探头上，所述两个光电探头的差值最小，接近于零；当有太赫兹场时，两个光电探测器的差值正比于待测太赫兹电场的大小，通过移动第二平面反射镜延时系统来改变探测飞秒激光脉冲和待测太赫兹脉冲之间的时延，扫描出整个太赫兹的时域脉冲波形。
进一步的，探测太赫兹场偏振方向能够任意调节，调节过程为：
(1)调节第一二分之一波片和位于第五抛物镜之前的第二二分之一波片的光轴为水平方向，此时，水平偏振的飞秒激光经过第一二分之一波片和第二二分之一波片仍为水平偏振，调节第一碲化锌晶体的旋转角度使其晶向沿水平方向，此时出射的太赫兹场最大且为水平偏振，即探测太赫兹场为水平偏振；调节位于第五抛物镜之后的第二碲化锌晶体的旋转角度使其[001]晶向沿竖直方向，此时太赫兹探测效率最高；调节四分之一波片使无太赫兹场时平衡光电探测器差值最小，接近于零，对探测太赫兹场进行斩波，通过移动第一平面反射镜延时系统和第二平面反射镜延时系统来完成第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲在不同时延下的光谱测量；
(2)将第一二分之一波片和第二二分之一波片逆时针旋转45度，将第一碲化锌晶体和第二碲化锌晶体逆时针旋转90度，此时探测太赫兹场为竖直偏振；调节四分之一波片使无太赫兹场时平衡光电探测器差值最小，接近于零，对探测太赫兹场进行斩波，通过移动第一平面反射镜延时系统和第二平面反射镜延时系统来完成第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲在不同时延下的光谱测量；
(3)通过调节第一二分之一波片、第二二分之一波片和第一碲化锌晶体、第二碲化锌晶体的相对旋转角度来实现探测太赫兹场偏振方向的任意可调。
更进一步的，对探测太赫兹场进行斩波的斩波频率为300赫兹。
进一步的，所述飞秒激光源出射的飞秒激光脉宽为小于100飞秒，中心波长为800纳米，重复频率为1000赫兹，偏振方向为水平偏振。
进一步的，所述第一碲化锌晶体和第二碲化锌晶体均为<110>晶向立方闪锌矿结构。
有益效果：本实用新型的系统调节简单有效，在不需要改变待测样品位置与角度的前提下，只需要调节二分之一波片和碲化锌晶体的旋转角度就可以得到任意偏振方向的探测太赫兹场，对于那些对偏振方向有特殊要求的样品，可以很方便的获得任意偏振态的探测太赫兹场。
附图说明
图1为本实用新型实施光路图。
其中包括：飞秒激光光源1，第一分束镜2，第二分束镜3，第一高反射镜4，第一平面反射镜延时系统5，第二高反射镜6，第三高反射镜7，第四高反射镜8，光栅9，第一聚焦透镜10，第二聚焦透镜11，铌酸锂晶体12，第一抛物镜13，第二抛物镜14，第三抛物镜15，待测样品16，第四抛物镜17，第五抛物镜18，第二碲化锌晶体19，四分之一波片20，沃拉斯顿棱镜21，平衡放大光电探测器22，第七高反射镜23，第一二分之一波片24，第一碲化锌晶体25，第六抛物镜26，高阻硅片27，第八高反射镜28，第九高反射镜29，第二平面反射镜延时系统30，第十高反射镜31，第十一高反射镜32，第二二分之一波片33。
具体实施方式
本实用新型通过飞秒激光光源产生飞秒激光，将飞秒激光分成三束，分别用于泵浦太赫兹场的产生、探测太赫兹场的产生和驱动太赫兹时域脉冲的电光采样测量，其中第一光束在铌酸锂晶体中发生光整流效应而产生泵浦太赫兹强场，第二光束光在第一碲化锌晶体中发生光整流而产生探测太赫兹弱场，两束太赫兹脉冲通过抛物镜与高阻硅片的会聚准直聚焦于样品位置，第三光束驱动第二碲化锌晶体发生电光检测从而采样测量太赫兹脉冲。在两个碲化锌晶体之前均加入二分之一波片，并调节二分之一波片光轴与飞秒激光偏振方向平行，同时旋转碲化锌使出射太赫兹信号最强。通过旋转两个二分之一波片与两个碲化锌的角度，即可得到一种探测太赫兹电场偏振方向任意可调的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统。
下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
如图1所示，通过飞秒激光光源1产生飞秒激光，飞秒激光经第一分束镜2和第二分束镜3被分为三束光，其中，经第一分束镜2和第二分束镜3透射的飞秒激光作为第一光束，第一光束经第一高反射镜4、第一平面反射镜延时系统5、第二高反射镜6、第三高反射镜7和第四高反射镜8入射到光栅9上，光栅9出射的一级衍射光发生波前倾斜，经第一聚焦透镜10和第二聚焦透镜11成像于铌酸锂晶体12上，在达到相位匹配的前提下，铌酸锂晶体12斜边对应的面向外辐射第一太赫兹脉冲，此第一太赫兹脉冲经第一抛物镜13、第二抛物镜14、第三抛物镜15聚焦于待测样品16位置作为泵浦太赫兹场。
经第一分束镜2透射、第二分束镜3反射的飞秒激光作为第二光束，第二光束经第七高反射镜23反射后，再经过第一二分之一波片24作用于第一碲化锌晶体25上，第二光束在第一碲化锌晶体25中发生光整流并辐射第二太赫兹脉冲，此第二太赫兹脉冲经第六抛物镜26、高阻硅片27和第三抛物镜15准直会聚于待测样品16位置作为探测太赫兹场。泵浦太赫兹场和探测太赫兹场经第四抛物镜17、第五抛物镜18后作用于第二碲化锌晶体19上。
第一分束镜2反射的飞秒激光作为第三光束，第三光束经过第八高反射镜28、第九高反射镜29、第二平面反射镜延时系统30、第十高反射镜31、第十一高反射镜32、第二二分之一波片33、第五抛物镜18、第二碲化锌晶体19后到达四分之一波片20处，无太赫兹场时，调节四分之一波片20，使第三光束的线偏振光经过四分之一波片20后被转换为圆偏振光，圆偏振光通过沃拉斯顿棱镜21分成两个相互垂直的分量，分别入射到平衡放大光电探测器22的两个光电探头上，此时两个光电探头的差值最小，接近于零，当有太赫兹场时，两个光电探测器的差值正比于待测太赫兹电场的大小，通过移动第二平面反射镜延时系统30来改变探测飞秒激光脉冲和待测太赫兹脉冲之间的时延，即可扫描出整个太赫兹的时域脉冲波形。
调节第一二分之一波片24和第二二分之一波片33的光轴为水平方向，此时，水平偏振的飞秒激光经过第一二分之一波片24和第二二分之一波片33仍为水平偏振，调节第一碲化锌晶体25的旋转角度使其晶向沿水平方向，此时出射的太赫兹场最大且为水平偏振，即探测太赫兹场为水平偏振。调节第二碲化锌晶体19的旋转角度使其[001]晶向沿竖直方向，此时太赫兹探测效率最高。调节四分之一波片20使无太赫兹场时平衡光电探测器差值最小，接近于零，对探测太赫兹场进行斩波，斩波频率为300赫兹，通过移动第一平面反射镜延时系统5和第二平面反射镜延时系统30来完成第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲在不同时延下的光谱测量，此时探测太赫兹场为水平偏振。
将第一二分之一波片24和第二二分之一波片33逆时针旋转45度，将第一碲化锌晶体25和第二碲化锌晶体19逆时针旋转90度，此时探测太赫兹场为竖直偏振。调节四分之一波片20使无太赫兹场时平衡光电探测器差值最小，接近于零，对探测太赫兹场进行斩波，斩波频率为300赫兹，通过移动两个平面反射镜延时系统来完成第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲在不同时延下的光谱测量。
由于线偏振光经过二分之波片后，其偏振方向相对于波片光轴和原偏振方向对称，且碲化锌出射的太赫兹波的偏振方向与入射飞秒激光的偏振方向一致，所以即可通过调节系统中的第一二分之一波片24和第二二分之一波片33和第一碲化锌晶体25和第二碲化锌晶体19的相对旋转角度来实现探测太赫兹场偏振方向的任意可调。
使用本实用新型系统的调节方法简单有效，在不需要改变待测样品位置与角度的前提下，只需要调节第一二分之一波片24和第二二分之一波片33以及第一碲化锌晶体25和第二碲化锌晶体19的旋转角度就可以得到任意偏振方向的探测太赫兹场。
Claims (10)
1.一种太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，包括飞秒激光光源、第一分束镜和第二分束镜，其特征在于，通过飞秒激光光源产生飞秒激光，将飞秒激光分成第一光束、第二光束和第三光束，分别用于泵浦太赫兹场的产生、探测太赫兹场的产生和驱动太赫兹时域脉冲的电光采样测量；其中，经所述第一分束镜和第二分束镜透射的飞秒激光作为第一光束，经所述第二分束镜反射的飞秒激光作为第二光束，经所述第一分束镜反射的飞秒激光作为第三光束。
2.根据权利要求1所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于：还包括第一平面反射镜延时系统、光栅、透镜系统、铌酸锂晶体、第一抛物镜、第二抛物镜和第三抛物镜，所述第一光束通过第一平面反射镜延时系统经过光栅后，出射的一级衍射光发生波前倾斜，经透镜系统成像在铌酸锂晶体上，在达到相位匹配的条件下，铌酸锂晶体斜边对应的面向外辐射第一太赫兹脉冲，所述第一太赫兹脉冲依次经第一抛物镜、第二抛物镜以及第三抛物镜聚焦于待测样品位置作为泵浦太赫兹场。
3.根据权利要求2所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于：所述透镜系统包括依次设置的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜。
4.根据权利要求2所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于：还包括第四抛物镜、第五抛物镜和第二碲化锌晶体，所述泵浦太赫兹场经第四抛物镜、第五抛物镜后作用于第二碲化锌晶体上。
5.根据权利要求1所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于：还包括第一二分之一波片、第一碲化锌晶体、第六抛物镜、高阻硅片和第三抛物镜，所述第二光束经第一二分之一波片后作用于第一碲化锌晶体上，所述第二光束在第一碲化锌晶体中发生光整流并辐射第二太赫兹脉冲，所述第二太赫兹脉冲依次经第六抛物镜、高阻硅片和第三抛物镜准直会聚于待测样品位置作为探测太赫兹场。
6.根据权利要求5所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于：还包括第四抛物镜、第五抛物镜和第二碲化锌晶体，所述探测太赫兹场经第四抛物镜、第五抛物镜后作用于第二碲化锌晶体上。
7.根据权利要求1所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于：还包括第二平面反射镜延时系统、第二二分之一波片、第二碲化锌晶体、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡放大光电探测器，所述第三光束依次经过第二平面反射镜延时系统、第二二分之一波片以及第二碲化锌晶体后到达四分之一波片处，无太赫兹场时，第三光束的线偏振光经过四分之一波片后被转换为圆偏振光，所述圆偏振光通过沃拉斯顿棱镜的分解被分成两个相互垂直的分量，分别入射到平衡放大光电探测器的两个光电探头上。
8.根据权利要求1所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于：所述飞秒激光源出射的飞秒激光脉宽为小于100飞秒，中心波长为800纳米，重复频率为1000赫兹，偏振方向为水平偏振。
9.根据权利要求5所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于，所述第一碲化锌晶体为<110>晶向立方闪锌矿结构。
10.根据权利要求6所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于，第二碲化锌晶体为<110>晶向立方闪锌矿结构。
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